超高注塑速度与高温环境下塑料性能研究

### 超高注塑速度与高温环境下塑料性能研究 #### 一、超高注塑速度对聚丙烯划痕行为的影响 在当今材料科学领域，塑料制品的性能优化一直是研究热点。聚丙烯（PP）作为常用的通用塑料，其划痕行为的研究具有重要意义。 1. **研究背景与目的** 近年来，聚合物的划痕行为受到众多研究者的关注。对于注塑成型的聚丙烯而言，提高其抗划痕性能在汽车等对表面质量要求较高的应用中变得至关重要。虽然已有研究表明加工条件会影响聚丙烯的力学性能，但对于注塑速度对其结构和性能（如划痕行为）的影响了解仍有限。本研究旨在聚焦注塑速度对聚丙烯表面附近结晶取向的影响，以及这种影响如何作用于划痕行为。 2. **实验材料与方法** - **材料准备**：实验使用的聚丙烯（PP; MA - 03）树脂由日本聚丙烯公司提供。使用前，将树脂在110°C下干燥12小时以去除残留水分，并与5 wt%的黑色母粒混合，然后在双螺杆挤出机中进行共混。挤出机料筒分为五个区域，温度分布分别为150°C、170°C、200°C、200°C和220°C。成型温度设定为30°C，冷却时间为3秒，采用浇口类型进行注塑，设置了10、100和1000 mm/sec三种不同的注塑速度，制备出哑铃形状（尺寸为172 mm x 10 mm x 3 mm）的样品。 - **划痕测试**：采用KK - 01型划痕测试机按照ISO 19252标准进行划痕测试。划痕长度设定为100 mm，采用线性增加载荷的方式，从1 N增加到50 N，划痕速度恒定为100 mm/sec，测试在室温下进行。划痕尖端使用直径为1 mm的不锈钢球轴承，划痕方向与注塑流线平行，每个条件下取3个试样的平均值。 - **划痕表面分析**：使用EPSON GT - X970 Photo PC扫描仪以3200x3200 dpi的分辨率对划痕表面进行扫描，扫描图像在8位灰度级别下使用ImageJ软件的阈值函数进行评估。同时，使用Digital optical microscope VHX（KEYENCE: VH - Z20R）对表面损伤机制进行更详细的表征。 - **表面性能表征**：使用Bruker X射线衍射仪，采用镍过滤的Cu Kα辐射，对表面附近的内部分子取向进行2D广角X射线衍射（WAXD）表征。使用微切割机器（SAICAS model DN; DAIPLA Wintes Co., Ltd.）测量表面附近的剪切强度分布，垂直速度为0.05 μm/sec，水平速度为0.5 μm/sec，观察区域沿注塑流线或划痕方向（FD横截面）切割。 3. **实验结果与分析** - **划痕损伤过渡区域分析**：根据实验结果，划痕损伤存在三个过渡区域。区域1是鱼鳞状图案形成的起始区域，从表面无损伤过渡到划痕槽中出现抛物线划痕线，并进一步形成鱼鳞状图案。区域2是鱼鳞状图案形成区域的连续损伤区域，在该区域可以清晰观察到划痕槽中的鱼鳞状图案，且划痕槽白色部分增加，这是划痕可见性的起始点。区域3是过渡到切割的区域，划痕表面出现鱼鳞状图案的变形和划痕槽底部的微裂纹，这是由于划痕尖端穿透材料所致。 - **注塑速度对划痕可见性的影响**：从扫描图像可以观察到，随着注塑速度的增加，划痕可见性的起始点可以延迟。计算每个划痕损伤过渡区域的临界法向载荷发现，随着注塑速度的增加，划痕可见性的临界法向载荷显著增加，鱼鳞状图案和过渡到切割的临界法向载荷也有所增加。这表明注塑速度对注塑成型聚丙烯的划痕行为有显著影响。 - **分子取向与抗划痕性能的关系**：通过比较低注塑速度（10 mm/sec）和高注塑速度（1000 mm/sec）的2D WAXD图案发现，高注塑速度导致表面附近的结晶结构取向更加明显。这种高度取向的结晶结构和紧密的晶体排列可能是提高抗划痕性能的原因。同时，微切割方法测量的表面附近剪切强度分布显示，高注塑速度导致更高的剪切强度，且剪切强度与划痕可见性的起始点相关，即更高的剪切强度导致更高的划痕可见性临界法向载荷。 #### 二、高温长期老化下高耐热聚碳酸酯的力学性能保持 在工业照明应用中，需要能够在高温下长期使用的塑料材料。因此，研究高耐热聚碳酸酯在高温环境下的力学性能保持具有重要的实际意义。 1. **研究背景与目的** 过去几年，由于塑料具有重量轻和设计灵活性大等优点，已逐渐取代玻璃和金属成为照明组件的首选材料。聚碳酸酯因其高耐热性、透明度、可着色性、优异的力学性能和阻燃性等特点，在照明应用中得到广泛应用。然而，传统聚碳酸酯的玻璃化转变温度（Tg）为150°C，限制了其在长期高温环境下的使用。为满足更高使用温度的需求，开发了新型高耐热聚碳酸酯，如SABIC Innovative Plastics公司的Lexan* XHT树脂系列。本研究旨在评估这些高耐热聚碳酸酯在高温下长期保持力学性能的能力，并与传统和其他高耐热聚碳酸酯材料进行比较。 2. **实验材料与方